激振参数对果树果实的动态响应关系研究开题报告

1. 研究目的与意义

我国是林果生产强国，干果产业位居世界榜首。近年来，随着农村产业结构的调整,我国各级政府已把水果作为农民增收及产业结构调整的重点[1]。从果枝上摘下球果，经过曝晒或烘于、脱粒的方法收集种子，不仅使母树遭受损伤，影响来年结实，而且花工大，工效低。而机械化采收可以满足当前生产需要，明显提高生产效率，节省人工成本，降低果实损伤率，提高了果农的经济效益。对于干果类(枣、核桃、银杏等)，林果振动采收在采收过程中不会存在果实损伤，而对于鲜果类(草莓、苹果等)，在采收过程中则会出现果实损伤情况[2]从20世纪60年代起，随着劳动力成本的日益上涨，果品收获机械正越来越广泛地应用于多种果品的采收过程中。目前，常用的果品收获机采用多种振动方式使果实与植株分离，其优势在于振动式收获能够快速、有效地分离成熟果实，适合于大面积、规模化果品生产。果园收获作业是果园生产全过程中最重要的环节，是个季节性较强和劳动密集型的工作，所用劳动力占整个生产过程所用劳动力的35％～45％[3]。采收不及时，将直接影响果品的质量，并造成大量经济损失。振动采收最基本的理论是振动能量传递到果枝上转变为果实的分离力，分离力大于果柄结合力，果实脱落。而树干处振动位移、加速度的响应特性直接影响着传递至果实处的能量，因而林果树干振动动态特性的研究对提高采收效率和果实采净率具有重要意义，开展不同类型的振动式收获技术研究对于提高果品的机械化采收水平具有重要意义，其产品开发具有广阔的市场应用前景。

2. 国内外研究现状分析

国外很早就开展机械振动采收技术的相关基础理论研究[4]，在美国、西班牙、俄罗斯、意大利、德国等国家的果园应用较为普遍[5],Adrian和FridleyC提出了果树振动采收设备的振动基本理论和设计准则，认为通过振摇树枝或树干采收果实是最可行的。Lenke和Hedden(1968)测量了偏心块式激振器作用下柑橘树枝不同测点处的受力和运动情况，结果认为树枝位移与树枝刚度、激振器偏心块质量以及激振力的大小和频率有关。Whitney等人(1988)研究了树干激振器作用下柑橘树干的振动位移，结果认为树干振幅与树干直径关系不大，而与激振器夹持高度以及激振力的大小关系较大。后来Whitney等人(1990)又利用木桩模拟树干在实验室建立树干-激振器系统，并将系统简化为质量-弹簧-阻尼系统，同时通过实验研究了不同木桩物理特性条件下的振动响应，实验结果与理论模型较为吻合。ZoltanLang[6]于2003年研究了果树在振动采收时的动力模型结构，建立了偏心块式和曲柄滑块式振动在采收机空载和工作时的能量方程以及由折算质量、弹性系数、动力阻尼系数构成的果树-采收机振动系统，得到了振动动力消耗以及振幅与激振高度的关系曲线，通过调节振动频率、振幅以及采收机质量等来优化采收机的设计，并且找到了最佳激振位置点，使果树产生充分的瞬时位移，以达到最佳的果实分离率。SergioCastro-GarclaC(2008)等人运用模态测试技术研究了果树在受迫振动下的参数特征，包括固有频率、阻尼比等，为设计机械振动采收机提供了必要的理论参数。Parameswarakumar和Gupta[7]等应用惯性式曲柄滑块振动采收机采收芒果，这项研究表明:要获得最大的采净率，而对树的损伤最小，采收机的工作振幅为(76～102)mm，振动频率为（11～13）Hz，振动时间4s。M.Loghavi[8]等人利用安装于拖拉机上的树枝振摇器研究了振摇频率和振幅对酸橙采摘的影响，结果表明:振动频率为10Hz，振幅为80mm时，采净率高达98.5%，且果树损伤较小，也表明振动能量直接由树枝传递至果枝，振动能量损失小，能量传递比大。未成熟果实脱落的比例显著上级振荡的幅度和频率的增加。DuChen[9]等人采用两种不同激振方式(正弦式激振及冲击式激振)对樱桃进行机械化采收实验，实验过程中，通过加速度传感器测试树枝上不同测点单方向(与激振方向相同)的加速度响应，并比较两种激振方式下树枝的动态响应与振动能量传递，试验结果表明:在不同的激振方式下，树枝的动态响应是不一样的，冲击式激振下的动态响应大于正弦式激振下的动态响应，冲击式激振采收的采净率达到了96%，正弦式激振采收的采净率达到了96.3%。但国外采收机一般都是大型化机具，作业空间要求较大，适用于稀疏果园，中国大部分果园都采用矮化密植模式，机械化作业条件差，因此直接引进国外采收机具不能有效解决问题。

国内这方而的研究尚处于起步阶段，从事果品收获机械化方而研究的科技工作者较少，与国外先进水平相比，尚有较大的差距。主要设计开发了一些小型机具，结构简单，技术含量相对较低，由于效率等问题，未能大量推广应用[10]。从国内外振动采收装备产品可以看出:激振机构的振动形式普遍采用偏心块式;夹持机构一般采用液压或气压驱动;动力系统根据实际使用场合选择，包括拖拉机带动、电动(发电机发电)、汽油机驱动等形式。提高机械振动采收效率，提高振动采收装备自动化水平，加强装备与果园农艺结合是未来机械振动采收装备的研发方向。工业成等研究了振动式黑加仑采收装置并优化了采收参数，但该装置只局限于小浆果采收。南京林业大学李国英[11]应用偏心块式振动采收机对杉木采种进行了研究，结果表明:对于树径在10～25厘米、树高在6～15米的杉木，在80Hz下激振可获得较好的采收效果。不过此种方法对南方的杉木有用，对北方的树木却用处不大。新疆农垦科学院机械装备研究所[1][12]引进了意大利ERREP-PI公司生产的VIBROLIV干果采收机[13]，进行了红枣、沙枣采收实验和性能测试实验，实验采用间歇振动方式，振动频率900次/min,振幅为15～35mm，收获生产率达50～80棵树/h，与人工相比提高了4～11倍，而且采净率较高、总损失率小，可摇落全树83%～98%的果实。王业成[14]等人对黑加仑机械进行了振动采收和振动测试实验研究，分别建立了黑加仑采收率与振动频率、振幅、激振位置三因素之间关系的数学模型及果枝激振力与三者之间的数学模型，分析了各影响因素对黑加仑采收率及果枝激振力的影响，实验结果表明:频率对采收率影响最大，其次为振幅，最小为位置。2011年，由新疆自治区林科院、新疆农业大学、南京林业大学及南通广益机电有限公司共同研制一款偏心块式林果振动采收机[13]，在新疆阿克苏地区温宿县木本粮油林场核桃林场对核桃进行振动采收实验[15]，激振频率为10Hz～20Hz，研究不同激振频率对树干振幅的影响及对果实采净率的影响，试验结果表明:随着激振频率的增大，树干全振幅不断增大，采净率达到了92.6%针对中国果园矮化密植模式作业空间小，机械化作业条件差的特点，以常见林果树(核桃、红枣、银杏等)为作业对象，设计了偏心式林果振动采收机，建立了偏心式振动采收动力学模型，并进行了核桃采收试验，获取核桃最佳采收参数，为实际生产提供指导，旨在提高采收效率，降低采收成木。

3. 研究的基本内容与计划

林果采收振动系统动态特性研究可通过动力学建模和实验分析两种手段获得。林果振动采收是指通过外界激励，将振动传递给果树，再经果树自身内部振动波传递至各个枝条，使得果实与枝条产生相对运动，当惯性力大于果枝与果实结合力时，果实便会脱落[2]。现有的研究大多着眼于激振与采净效果之间的关系，而没有细化研究激振能量在树干处的动态响应特性，以及振动响应与激振频率的具体关系及其原因。本课题通过室内试验研究树干上的位移、加速度响应，分析室内外试验中各个参数响应的异同，为深入研究林果振动采收机理以及实际振动采收时提供一定的理论基础。

（1）研究激振主干与树干、树枝各点的位移、加速度响应关系；

（2）研究不同树冠、是否有叶对果树固有特性的影响关系；

4. 研究创新点

目前国内林果机械化采收技术日趋成熟，但各激振参数对果树动态响应关系的研究仍处于起步阶段。现有的研究大多着眼于激振与采净效果之间的关系，而没有细化研究激振能量在树干处的动态响应特性，以及振动响应与激振频率的具体关系及其原因。本课题通过室内试验研究树干上的位移、加速度响应，分析室内外试验中各个参数响应的异同，为深入研究林果振动采收机理以及实际振动采收提供一定的理论基础。